Всем известно, что при подключении вторичной трансформаторной обмотки к нагрузке, она принимает на себя и сопротивление этой нагрузки. Ток, установившийся во вторичной цепи, находится в пропорциональной зависимости от подключенной нагрузки. Если же имеет место большое количество потребителей, то в результате повышения нагрузки возрастает вероятность нарушения изоляционного слоя соединительных проводников. В случае их возможного соприкосновения возникает режим короткого замыкания трансформатора.
Провода, расположенные перед приемником электроэнергии, замыкаются вместе со вторичной обмоткой. Энергия из первичной обмотки будет продолжать свое движение во вторичную обмотку и далее – во вторичную цепь. Эта цепочка, образовавшаяся в результате короткого замыкания будет включать в себя лишь обмотку и частично – соединительные провода.
Виды КЗ у трансформаторов
При возникновении короткого замыкания, трансформатор вплотную подходит к предельному рабочему режиму. В этом случае на первичную обмотку поступает какое-то напряжение, а вторичная оказывается замкнутой.
Короткое замыкание трансформатора может быть аварийным или испытательным. В первом случае опасная ситуация возникает в режиме эксплуатации устройства, при подключении его к номинальному первичному напряжению. В обмотках появляется ток короткого замыкания, многократно превышающий номинал, и прибор выходит из строя. Как правило, основные детали сгорают, и вся схема просто разваливается на части.
Избежать подобных негативных последствий возможно с помощью защитной аппаратуры – автоматов, предохранителей, реле и т.д. Она производит отключение в максимально короткие сроки со стороны первичной обмотки и тем самым сохраняет устройство от разрушения.
В испытательном режиме, известном в качестве опыта короткого замыкания, подобная ситуация создается искусственным путем. С этой целью на первичную обмотку подается пониженное напряжение. При этом, токи в каждой обмотке не выходят за пределы номинала. Данный опыт позволяет точно установить наиболее важные параметры и характеристики трансформаторного устройства. Каждое из коротких замыканий следует рассмотреть более подробно, с точки зрения его физического воздействия на трансформатор.
Физические процессы при аварийном замыкании
С технической точки зрения любой трансформатор должен обязательно разрушиться в результате замыкания и действия высоких токов. Основной причиной выступает незначительное сопротивление проводов и обмоток, которое многократно превышается сопротивлением подключенной нагрузки.
Следует учитывать и резкое повышение температуры в обмотках, достигающей 500-600 градусов в течение 1-2 секунд. Этого вполне достаточно, чтобы они полностью сгорели. Нельзя забывать о механических усилиях, возникающих между обмотками во время работы, и стремящихся сдвинуть их в осевом и радиальном направлениях. Эти усилия существенно увеличиваются при возрастании силы тока, что теоретически должно привести к мгновенному разрушению трансформатора. Тем не менее, на практике все происходит по-другому.
Трансформаторные устройства оказываются способными выдержать токи коротких замыканий в течение малого временного промежутка, пока не сработает защита и они не будут отключены от сети. Было выявлено какое-то дополнительное сопротивление, ограничивающее высокие токи в обмотках. Оно образуется благодаря магнитным потокам рассеяния, отходящим от основного потока и замыкающимся вокруг витков соответствующей обмотки.
Величина и разница этого рассеяния практически не поддается точному измерению, в основном, из-за различных путей, используемых для замыкания магнитных потоков. В связи с этим, его оценка производится по влиянию, оказываемому на ток и напряжение в обмотках. Была выявлена закономерность, в соответствии с которой при возрастании тока в обмотках, увеличиваются и магнитные потоки. В нормальном рабочем режиме они составляют незначительную часть основного потока, поскольку лишь частично связаны с витками. Основной же поток оказывает влияние на все без исключения витки обмоток.
Таким образом, действие дополнительного сопротивления позволяет свести до минимума потери КЗ трансформатора. Все негативные параметры снижаются во много раз и не наносят вреда. То есть, прибор сам способен защититься от высоких токов, возникающих при замыканиях. Подобные ситуации возникают достаточно редко, но все равно к ним нужно готовиться заранее, своевременно осуществляя необходимые защитные мероприятия.
Испытание трансформатора в режиме КЗ
Для проверки работоспособности трансформатора в особых условиях, создается режим холостого хода и короткого замыкания с подводом к обмоткам соответствующего напряжения. В этом случае одна из них оказывается коротко замкнутой, а к другой через клеммы подводится напряжение, чтобы получить номинальный ток. Напряжение, полученное в результате короткого замыкания, в среднем составляет от 5,5 до 10% от номинала и не зависит от того, какая из обмоток окажется замкнутой. Данный параметр играет важную роль в эксплуатации устройства, отображается в его техническом паспорте или наносится непосредственно на корпус.
Во время проведения испытания трансформатора в режиме короткого замыкания напряжение будет незначительным, поэтому магнитный поток в магнитопроводе тоже небольшой. В связи с этим, потери в стальных пластинках можно не учитывать, а сосредоточиться на потребляемой мощности, которая перекрывает тепловые потери в медных обмотках.
В режиме замыкания вторичная обмотка соединяется с амперметром, а в первичную поступает пониженное напряжение, контролируемое с помощью вольтметра. Мощность, потребляемая из сети трансформаторным устройством, замеряется ваттметром.
Основными целями исследований является определение следующих показателей:
- Напряжение и токи КЗ, определяемое вольтметром и амперметрами, подключаемыми поочередно к первичной и вторичной обмоткам.
- Активные потери короткого замыкания, которая приблизительно равны потерям в медных обмотках.
- Показания амперметра, вольтметра и ваттметра, подключенных к первичной цепи, позволяют установить коэффициент мощности и саму мощность короткого замыкания.
- Показатели и работоспособность схемы замещения трансформаторного устройства в режиме короткого замыкания.
- с опытами КЗ проверяется холостой ход, где устанавливается величина полных потерь при работе трансформатора под нагрузкой. Полученные данные дают возможность точно определить коэффициент полезного действия устройства.
Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации
Режим КЗ трансформатора может возникнуть практически в любой электроустановке, при наличии определенных негативных факторов. Это могут быть механические повреждения изоляции, электрический пробой из-за перенапряжения и т.д. Иногда серьезные ошибки допускаются обслуживающим персоналом.
Под влиянием высоких токов температура обмотки резко повышается, и целостность изоляции находится под угрозой разрушения. Большой ток короткого замыкания, примерно в 20 раз превышающий номинальный, приводит к росту потерь в обмоточных проводах более чем в 400 раз. Огромная мощность, выделяемая в обмотках в короткий промежуток времени, приводит к их резкому нагреву, от чего изоляция разрушается и трансформатор выходит из строя.
В связи с этим, каждое устройство обеспечивается защитой с высоким быстродействием, выполняющей отключение при замыкании. До момента отключения, вторичная обмотка трансформатора, находящегося в аварийном режиме, просто не успевает разогреться до опасной температуры.
Опасность КЗ состоит еще и в возможном механическом разрушении прибора. Дело в том, что провода, обтекаемые током, физически взаимодействуют между собой. Если токи в параллельных проводах протекают в одном и том же направлении, между ними возникает взаимное притяжение. Если же течение токов происходит в разных направлениях, провода будут отталкиваться друг от друга. В трансформаторах таких проводов очень много, и расположены они в витках параллельно между собой. Поэтому в них периодически возникают взаимные притяжения или отталкивания, а слишком большие механические силы рано или поздно приведут к деформации трансформаторных обмоток, резкому снижению их электрической прочности.
В связи с этим, заранее принимаются меры по усилению конструкции. Это достигается путем неоднократной осевой запрессовки обмоток, предотвращением возможной усадки изоляции. При соблюдении всех технических условий, короткое замыкание не сможет нанести трансформатору серьезных повреждений.
